Chế tạo vật liệu tổ hợp cu-Al2o3 bằng phương pháp nghiền trộn hành tinh

rong nền Cu tạo nờn hiệu quả húa bền tốt. Sau quỏ trỡnh ộp – thiờu kết hỗn hợp Cu, CuO (do Cu bị ụxy húa trong quỏ trỡnh nghiền) và Al2O3, toàn bộ CuO được hoàn nguyờn. Sản phẩm cuối cựng là hệ vật liệu Cu – Al2O3. Độ cứng tế vi của vật liệu tổ hợp này tăng khi hàm lượng Al 2O3 tăng, đó là kờ́t quả của sự phõn tán các hạt Al 2O3 nhỏ mịn trong nền Cu . Ngược lại, độ dẫn điện giảm so với Cu nguyờn chṍt .  ĐẶT VẤN ĐỀ Việc gia cố Cu nguyờn chất bằng cỏc loại cốt hạt ceramic phõn tỏn như Al2O3, TiC, TiB2, v.v [1–5] đó tạo ra cỏc hệ vật liệu tổ hợp mới. Cỏc hệ vật liệu tổ hợp nền Cu này khụng những vẫn giữ nguyờn được cỏc ưu điểm của Cu nguyờn chất như độ dẻo dai, độ dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, mà cũn hạn chế được nhược điểm Cu ở nhiệt độ cao thường kộm bền và khả năng chịu mài mũn thấp. Tựy theo thành phần Al2O3 gia cố mà cỏc hệ vật liệu tổ hợp Cu – Al2O3 cú thể được ứng dụng để chế tạo bạc lút , sộc măng , hoặc điện cực hàn trong cỏc ngành chế tạo ụtụ , xe mỏy và đúng tàu , hoặc để chế tạo cỏc tiếp điểm điện , v.v trong ngành kỹ thuọ̃t. Phương phỏp nghiền trộn hành tinh là một phương phỏp khỏ thụng dụng trờn thế giới để chế tạo vật liệu tổ hợp với thành phần ban đầu là cỏc loại bột. Ưu điểm của phương phỏp này so với cỏc phương phỏp khỏc (ụxy húa bờn trong, phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền – SHS, nghiền cơ – húa ) là cú thể khống chế chớnh xỏc thành phần pha gia cố (Al2O3). Thờm vào đú, phương phỏp yờu cầu thiết bị và quy trỡnh cụng nghệ đơn giản mà vẫn đảm bảo tỷ trọng cao, cơ tớnh tổng hợp và độ dẫn  Tel: 0984 194198, Email:hokythanh@gmail.com điện, dẫn nhiệt tốt của vật liệu tổ hợp Cu – Al2O3. Bài bỏo này đề cập đến việc dựng phương phỏp nghiền trộn hành tinh để tạo ra sự phõn bố đồng đều cỏc hạt Al2O3 kớch cỡ mịn (< 0.4 m) trong nền Cu. Hệ vật liệu tổ hợp Cu – Al2O3 này cú thể được trong lĩnh vực vật liệu tiờ́p điờ̉m điện, vật liệu chịu mài mũn. KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM Nguyờn liệu ban đầu bao gồm: Cu dạng bột (độ sạch > 99.0%, cỡ hạt < 5 m), và bột Al2O3 (độ sạch > 99.8%, cỡ hạt trong khoảng 0.30  0.39 m). Quy trỡnh thực nghiệm chế tạo được tiến hành như sau. Phối liệu Để khảo sỏt giỏ trị tối ưu của vật liệu dựng làm tiếp điểm điện hoặc điện cực (đảm bảo độ dẫn điện, cơ tớnh), cần tăng hàm lượng Al2O3 trong vật liệu tổ hợp Cu – Al2O3 với cỏc mức khảo sỏt 1.0; 2.0; 4.0% theo khối lượng [1–5] bằng cỏch phối trộn bột Al2O3 với bột Cu nguyờn chất. Nghiền trộn [4–7] Hỗn hợp vật liệu Cu + bột Al2O3 với cỏc thành phần khỏc nhau được nghiền trộn cơ học để giảm kớch thước hạt và tăng độ đồng đều. Trong quỏ trỡnh nghiền cơ học, việc lựa chọn được chế độ nghiền phự hợp là rất quan Hồ Ký Thanh Tạp chớ KHOA HỌC & CễNG NGHỆ 74(12): 9 - 13 Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn | 10 trọng. Quỏ trỡnh nghiền trộn được thực hiện trờn mỏy nghiền hành tinh Pulverisette (Cộng hũa LB Đức) làm nguội bằng khụng khí , lượng vật liệu mỗi mẻ nghiền là 50g (mụi trường nghiền là cồn 900, tỉ lệ bi : bột là 20 : 1) với chế độ nghiền được lựa chọn như bảng 1. Bảng 1. Chế độ nghiền trộn. Thành phần % Al2O3 (k.lượng) Tốc độ nghiền, vg/ph Thời gian nghiền, ph 1.0 180 120/150/180 200 120/150/180 220 120/150/180 2.0 180 120/150/180 200 120/150/180 220 120/150/180 4.0 180 120/150/180 200 120/150/180 220 120/150/180 ẫp - Thiờu kết tạo khối vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3 Quỏ trỡnh ộp nguội được thực hiện trờn mỏy ộp thủy lực 10T (Liờn bang Nga). Khuụn ộp hỡnh trụ đường kớnh 10mm, cao 50mm. Chày ộp và khuụn ộp được chế tạo bằng thộp 9XC cú độ cứng sau khi tụi trờn 60  65HRC. Quỏ trỡnh thiờu kết được tiến hành trong lũ nung điện trở hỡnh ống với nhiệt độ nung cao nhất 1000oC. Chi tiết được nung trong hộp thiờu kết cú kớch thước 70 x 100mm trong mụi trường hoàn nguyờn và bảo vệ là than hoạt tớnh. Quỏ trỡnh ộp trước và sau thiờu kết được thực hiện 5 lần với cỏc ỏp lực ộp lần lượt là 1tấn/cm2, 2tấn/cm2, 4tấn/cm2, 6tấn/cm2 và 8tấn/cm2. Lần ộp đầu tiờn được thực hiện với ỏp lực ộp nhỏ pộp = 1tấn/cm 2 nhằm tạo khối cú tỉ trọng thấp, đảm bảo quỏ trỡnh hoàn nguyờn được cỏc ụxớt đụ̀ng xảy ra một cỏch hoàn toàn. Cỏc lần ộp sau nhằm mục đớch tăng tỷ trọng của vật liệu. Chế độ thiờu kết được lựa chọn cho cỏc mẫu thớ nghiệm như trờn hỡnh 1. Thành phần pha của cỏc mẫu vật liệu được phõn tớch trờn mỏy Rơn-ghen D5005 Siemens (Cộng hũa LB Đức). Hỡnh dạng, kớch thước và cấu trỳc tế vi của vật liệu được quan sỏt, phõn tớch trờn kớnh hiển vi điện tử quột SEM Hitachi S–4800 (Nhật Bản). Tỷ trọng của mẫu thớ nghiệm được đo bằng cõn thủy tĩnh theo nguyờn lý Acsimet trờn cõn điện tử cú độ chớnh xỏc đến 10–4g. Độ dẫn điện của mẫu thớ nghiệm được đo theo nguyờn lý so sỏnh. Độ cứng HV được xỏc định bằng cỏch sử dụng mũi đõm kim cương với tải trọng là 1kG trờn mỏy Duramin Struers (Đan Mạch). Hỡnh 1. Chế độ thiờu kết mẫu vật liệu tổ hợp Cu – Al2O3 sau khi ộp sơ bộ: I- giai đoạn nung; II- giai đoạn hoàn nguyờn; III- giai đoạn thiờu kết; IV- giai đoạn làm nguội. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Kết quả phõn tớch thành phần pha Trong quỏ trỡnh nghiền trộn, mặc dự được bảo vệ bằng cồn 900 nhưng vẫn cú một phần Cu bị ụxy húa. Do vậy, sau khi ộp sơ bộ phải tiến hành hoàn nguyờn để loại trừ ảnh hưởng của cỏc ụxớt đồng, đảm bảo tớnh dẫn điện của vật liệu tổ hợp Cu – Al2O3. Mụi trường hoàn nguyờn được lựa chọn là than hoạt tớnh. Al2O3 là pha bền , rṍt ụ̉n định, trong khi đú cỏc dạng ụxớt đụ̀ng kộm bền sẽ bị khử trong quỏ trỡnh hoàn nguyờn. Sau quỏ trỡnh hoàn nguyờn, cỏc đỉnh của pha ụxớt khụng xuất hiện trờn giản đồ nhiễu xạ X–Ray (hỡnh 2) mà chỉ tồn tại cỏc đỉnh của pha Cu. Với cỏc pha cú thành phần nhỏ như Al2O3 sẽ khụng xuất hiện trờn biểu đồ X–Ray. Như vậy, vật liệu sau khi chế tạo sẽ tồn tại hai pha Cu và Al2O3. Cuối cựng, mục đớch tạo ra vật liệu tổ hợp Cu – Al2O3 bằng phương phỏp nghiền trộn cơ học đó đạt được. 200 400 600 800 1000 0 3h 2h nhiệt độ [ C]o 750 950 I II III IV thời gian [h] thời gian [h] IVIIIIII' 950 750 onhiệt độ [ C] 2h3h 0 1000 800 600 400 200 400 1h I Hồ Ký Thanh Tạp chớ KHOA HỌC & CễNG NGHỆ 74(12): 9 - 13 Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn | 11 Hỡnh 2. Giản đồ X–Ray mẫu vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3 sau hoàn nguyờn – thiờu kết (2.0% khối lượng Al2O3) Hỡnh dạng và tổ chức tế vi Sau khi nghiền, kớch thước hạt vật liệu tổ hợp Cu – Al2O3 cú sự gia tăng một cỏch đỏng kể (tăng từ 10m lờn > 20m như trờn hỡnh 3) tựy thuộc vào chế độ nghiền. Sở dĩ như vậy là vỡ khi nghiền trộn với năng lượng nghiền lớn, cỏc hạt Cu dẻo bị biến dạng và dớnh vào nhau, trờn bề mặt của chỳng cú cỏc hạt Al2O3 kớch thước nhỏ mịn bỏm dớnh. Sau khi nghiền trộn hạt vật liệu tổ hợp Cu – Al2O3 cú dạng hỡnh tấm (hỡnh 3a, b). Quan sỏt tổ chức tế vi của vật liệu tổ hợp Cu – Al2O3 (hỡnh 4 và 5) cỏc hạt Al2O3 (màu sỏng) với kớch cỡ < 0.4 m phõn bố khỏ đồng đều trờn nền Cu (màu sậm), khụng phỏt hiện thấy lỗ xốp trờn mặt cắt, cấu trỳc tế vi hứa hẹn một hệ vật liệu cú tỷ trọng cao. Hơn nữa độ đồng đều của Al2O3 phõn bố trong nền Cu là một hàm số phụ thuộc vào chế độ nghiền (tốc độ và thời gian nghiền). Khi tăng thời gian nghiền và tăng tốc độ nghiền thỡ độ đồng đều của Al2O3 càng cao, từ đú cú thể khẳng định rằng cơ tớnh của hệ vật liệu sẽ đồng đều hơn. Việc cỏc hạt Al2O3 phõn bố đồng đều đó chứng tỏ rằng chế độ nghiền là hợp lý. Cỏc mẫu sau ộp thể hiện hầu như khụng cú lỗ xốp, điều đú chứng tỏ rằng chế độ thiờu kết và chế độ ộp là hoàn toàn hợp lý. a. thời gian 120ph, tốc độ 220vg/ph b. thời gian 180ph tốc độ 220vg/ph Hỡnh 3. Hỡnh dạng hạt vật liệu tổ hợp Cu – Al2O3 sau khi nghiền trộn Hồ Ký Thanh Tạp chớ KHOA HỌC & CễNG NGHỆ 74(12): 9 - 13 Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn | 12 a. b. Hỡnh 4. Tổ chức tế vi của vật liệu tổ hợp Cu - 4%(khối lượng)Al2O3 (180ph/220vg/ph) a. b. Hỡnh 5. Tổ chức tế vi của vật liệu tổ hợp Cu - 2%(khối lượng)Al2O3 (180ph/220vg/ph) Tớnh chất của vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3 Cỏc tớnh chất cơ học và vật lý của hệ vật liệu Cu – Al2O3 (trong đú hàm lượng Al2O3 thay đổi từ 1.0% đến 4.0% theo khối lượng) chế tạo bằng phương phỏp nghiền trộn hành tinh được trỡnh bày trờn bảng 2. Tất cả cỏc mẫu đều đạt tỷ trọng tương đối trờn 97.0%. Bảng 2. Một số tớnh chất của vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3 Thành phần % Al2O3 Độ dẫn điện, % IACS Độ cứng tế vi, HV Chế độ nghiền, t/v 0.0 100.0 47.0 1.0 85.3 89.5 180/180 – 90.5 180/200 – 92.1 180/220 2.0 79.6 120.9 180/180 – 123.4 180/200 – 124.1 180/220 4.0 73.5 150.3 180/180 – 155.3 180/200 – 157.2 180/220 Theo bảng 2 cú thể nhận thấy, khi hàm lượng Al2O3 trong vật liệu tăng, độ cứng của vật liệu tổ hợp Cu – Al2O3 tăng khỏ mạnh và độ dẫn điện cú giảm (tương ứng với sự tăng hàm lượng Al2O3). Độ cứng tăng lờn là do cỏc hạt Al2O3 kớch cỡ mịn phõn tỏn của trong nền Cu tạo nờn hiệu quả húa bền rất cao. Thờm vào đú , từ bảng 2 ta thấy, khi tăng tốc độ nghiền trộn (giữ nguyờn tỉ lợ̀ bi : bụ̣t và thời gian nghiờ̀n trụ̣n) thỡ độ cứng của vật liệu tổ hợp tăng đồng thời với nú là độ dẫn điện giảm. Sở dĩ độ dẫn điện giảm do sự tăng hàm lượng Al2O3 khụng dẫn điện làm giảm tớnh dẫn điện của vật liệu này . Bờn cạnh đú , khi tăng tụ́c đụ̣ nghiờ̀n trụ̣n thỡ sản phẩm bụ̣t sau nghiền sẽ bị lẫn các tạ p chất (do sự mài mũn của bi nghiền , tang nghiền), lượng Cu bị ụ xi húa nhiều , trong quỏ trỡnh hoàn nguyờn vẫn chưa triệt để (hàm lượng ụ xớt này khụng thể nhận thấy trờn giản đồ X – Ray). Cũn độ cứng tăng là do sự phõn bố đồng đều hơn của cỏc hạt Al2O3 trong nền Cu tạo nờn hiệu quả húa bền tốt hơn. Kết quả bước đầu này giỳp khẳng Hồ Ký Thanh Tạp chớ KHOA HỌC & CễNG NGHỆ 74(12): 9 - 13 Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn | 13 định hệ vật liệu này hoàn toàn cú khả năng đỏp ứng cỏc yờu cầu làm vật liệu làm tiếp điểm, làm điện cực, . KẾT LUẬN Trong cụng trỡnh này đó bước đầu thiết lập thành cụng quy trỡnh cụng nghệ chế tạo vật liệu tổ hợp nền Cu húa bền bởi cốt hạt Al2O3 phõn tỏn ứng dụng trong chờ́ tạo vật liệu tiờ́p điờ̉m điện bằng phương phỏp nghiền trộn hành tinh (chủ yếu là lựa chọn được chế độ nghiền hợp lý). Sản phẩm cuối cựng thu được là vật liệu tổ hợp Cu – Al2O3 với cỡ hạt Al2O3 trong khoảng < 0.4 m. Ảnh hưởng của hàm lượng Al2O3 đến cơ tớnh và tớnh dẫn điện của vật liệu đó được khảo sỏt trong khoảng từ 1.0 đến 4.0% Al2O3: độ cứng tăng từ 47 đến 157.2 HV, độ dẫn điện giảm từ 100 xuống 72.1%IACS, hàm lượng Al2O3 tối ưu đối với vật liệu điện cú thể khẳng định trong khoảng 2.0%. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Trần Văn Dũng, Nguyễn Đặng Thủy; Nghiờn cứu chế tạo vật liệu tổ hợp Cu–TiB2 bằng phương phỏp nghiền trộn hành tinh kết hợp thiờu kết xung Plasma; Tạp chớ Khoa học Cụng nghệ Kim loại, số 17, 2007. [2]. D. W. Lee, B. K. Kim; Nanostructured Cu– Al2O3 composites produced by thermo-chemical process for electrode application, Mat. Lett. Vol. 58, 2004, pp. 378–383. [3]. Kea Myung Kang and Jong Unchoi; Korean J.Mat. Re. Vol 14. No.1, 2004. [4]. C. Suryanarayana; Mechanical alloying and milling, Prog. Mat. Sci.; Vol. 46, 2001, pp. 1–84. [5]. L. Lui, M. O. Lai, S. Zhang; J. Mat. Proces. Tech.; Vol. 52, 1995, pp. 539 – 546. [6]. J. P. Tu, N. Y. Wang, Y. Z. Yang, W. X. Qi, F. Liu, X. B. Zhang, H. M. Lu, M. S. Liu; Preparation and properties of TiB2 nanoparticle reinforced copper matrix composites by in situ processing, Mat. Lett. Vol. 52, 2002, pp. 448 – 452. [7]. Trần Văn Dũng, Lờ Việt Dũng, Hồ Ký Thanh, Nguyễn Đặng Thủy; Chế tạo vật liệu tổ hợp Cu– Al2O3 bằng phương phỏp nghiền trộn cơ học kết hợp ụ xy húa bờn trong, Tạp chớ Khoa học Cụng nghệ Kim loại, số 21, 2008. [8]. V. Rajković, O. Erić, D. Božić, M. Mitkov, E. Romhanji; Characterization of Dispersion Strengthened Copper with 3wt%Al2O3 by Mechanical Alloying, Science of Sintering, Vol. 36, 2004, pp. 205–211. [9]. CHENG Jianyi, WANG Mingpu, LI Zhou, WANG Yanhui; Nano scale Al2O3 Dispersion- strengthened Copper Alloy Produced by Internal Oxidation, China – EU Forum on Nanosized Technology, 2002, pp. 93–102. SUMMARY FABRICATION OF Cu – Al2O3 COMPOSITES BY PROCESSING OF PLANETARY BALL MILLING Ho Ky Thanh Thai Nguyen University of Technology This paper presents result of research to fabricate Dispersed Al2O3 – Strengthened Cu matrix composites by processing of planetary ball milling. The results revealed that grains of Al2O3 (grain size 0.30  0.39m) distribute relatively equal in the Cu matrix, which creates effectively high strengthening. After recycling process and sintering, the final received product was Cu – Al2O3 composites. The micro-hardness of the synthesized composites increased with increasing of Al2O3 content, which was the result of dispersion of the fined Al2O3 grain size in Cu matrix. Whereas, the electrical conductivity decreased comparing with pure Cu. Hồ Ký Thanh Tạp chớ KHOA HỌC & CễNG NGHỆ 74(12): 9 - 13 Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn | 14 Hồ Ký Thanh Tạp chớ KHOA HỌC & CễNG NGHỆ 74(12): 9 - 13 Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn | 15